CN105748251B - 低频振动保健机 - Google Patents
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Abstract
低频振动保健机，属于振动理疗装置技术领域，包括脉搏传感器、掌上仪和振动机；所述脉搏传感器和振动机均与掌上仪信号连接；所述脉搏传感器，内置光电式传感器，将指尖或手腕的脉搏跳动，转换成线性的毫伏级电压的脉搏信号，并将脉搏信号传送给掌上仪；所述掌上仪，接受脉搏传感器的脉搏信号，并向振动机传送运行信息；所述振动机包括主控制器和体感音乐低频振动器；主控制器根据掌上仪发送的信号驱动体感音乐低频振动器。低频振动保健机，采用体感音乐低频振动器作为振动源，与传统的电机、电磁铁振动相比，不仅简化了机械机构，提升了机电转化效率，并且，振动失真小、谐波小，频率和振幅独立调整简单。
Description
技术领域
本发明属于振动理疗装置技术领域，具体涉及为低频振动保健机。
背景技术
近几年来，随着工作节奏加快、雾霾气候时有发生，大众的身体呈现亚健康的状态越来越多。因此市面出现了各种各样的保健运动器材，但由于他们对健康机制的原理不能系统的梳理，使得不同的人的亚健康康复以及一个人的不同部位的亚健康康复均使用同一个保健频率。这种弊端使得康复效果不佳。
因此，有必要研发一种保健机，通过对身体循环系统和各器官的健康工作频率的系统研究，来为用户提供一系列变化的组合的亚健康康复运动频率，以提升康复效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述提到的缺陷和不足，而提供低频振动保健机，通过对身体循环系统和各器官的健康工作频率的系统研究，以心跳频率为依据，再根据不同器官的健康工作频率与心跳频率的函数关系，来为用户提供一系列变化的组合的亚健康康复运动频率。
本发明实现其目的采用的技术方案如下。
低频振动保健机，包括脉搏传感器、掌上仪和振动机；所述脉搏传感器和振动机均与掌上仪信号连接；
所述脉搏传感器，内置光电式传感器，将指尖或手腕的脉搏跳动，转换成线性的毫伏级电压的脉搏信号，并将脉搏信号传送给掌上仪；
所述掌上仪，接受脉搏传感器的脉搏信号，并向振动机传送运行信息；
所述振动机包括主控制器和体感音乐低频振动器；所述体感音乐低频振动器与主控制器信号连接；所述主控制器与掌上仪信号连接；主控制器根据掌上仪发送的信号驱动体感音乐低频振动器。
所述振动机还包括弹簧、底板和顶板；所述弹簧顶端连接顶板，底端连接底板；所述体感音乐低频振动器安装于顶板。
所述脉搏传感器通过3芯电缆线与掌上仪相连，3芯电缆线为VS+线、GND线、SEN线，其中，VS+线是脉搏传感器的电源，GND线为电源地，SEN线为信号输出线；
所述掌上仪通过4芯电缆线与主控制器连接，4芯电缆线为+5V线、GND线、RSA线、RSB线；其中，+5V线、GND线为主控制器提供给掌上仪的电源线，RSA线、RSB线为RS485通讯电路的通讯信号线；
所述主控制器连接开关电源；所述开关电源将市电L、N输入，转换成直流36V提供给主控制器；开关电源设置有接地端子PE。
所述掌上仪包括单片机电路、脉搏放大电路、RS485通讯电路和液晶驱动电路；
所述单片机电路内设单片机芯片U6、RS485串行通讯电路、脉搏放大电路、液晶驱动电路、手持仪面板操作按钮；单片机芯片U6为STM8S208S6；RS485串行通讯电路由单片机芯片U6内部串行接口RXD1、TXD1和RTS1与SP481E芯片U7构成；脉搏放大信号线为SHS线；液晶驱动的控制信号线为SCK线、MOSI线、CS线、DR5线、DR6线、DR7线；手持仪面板操作按钮为SW1~SW12；
所述脉搏放大电路，包括交流放大器、电源线、输入信号线；交流放大器为由MCP6002双低功耗运放U8构成的2级正向输入的交流放大器；VS+线为脉搏传感器的电源线；输入信号线为SEN线；
所述液晶驱动电路包括液晶显示板U9，液晶片选CS，液晶复位驱动DR7，液晶背光驱动DR6，液晶通讯方式选择DR5，串行通信信号线SCK、MOSI；液晶显示板U9为液晶显示板TG12864R-01，采用串行通讯结构。
所述主控制器包括电源电路U10、功率放大电路U11、单片机电路U12；
所述电源电路U10将开关电源U5输入的36V+、36V-，经过滤波后得到+36电源并通过+36电源线连接功率放大电路U11，给功率放大电路U11提供电源；同时，分出一路5V稳压电源线连接单片机电路U12，给单片机电路U12供电；
所述功率放大电路U11，通过VSIN线连接单片机电路U12，将单片机电路U12输出的脉宽调制PWM信号VSIN，滤波成交流信号，然后通过输出端的Out+线、Out-线连接体感音乐低频振动器，将交流信号放大输出驱动体感音乐低频振动器；
所述单片机电路U12，其输入端接收掌上仪传送过来的信号，其输出端输出相应的正弦PWM信号给功率放大电路U11。
电源电路U10内置进线保险、共模滤波器、L型低频滤波器、单片式开关电源、5V电源、高频滤波电容组。
所述功率放大电路U11，内设滤波电路、VSIN线、正向放大器、电压跟随器、功率放大器。
所述单片机电路U12，内置单片机U17、RS485通讯电路、过温检测电路；
单片机U17采用单片机STM8S208S6。
RS485通讯电路由单片机U17内部串行接口RXD、TXD和RTS与SP481E芯片U18构成；
过温检测电路采用温度开关TS1，对功率放大电路U11的温度进行检测，当功率放大电路U11的温度超过80°C时，关闭PWM输出VSIN。
体感音乐低频振动器信号的输出振幅满足以下条件：
当A脉搏≤0时，A谐振=0；
当A脉搏＞0时，A谐振=XA健身+YA机械，其中，X和Y均为大于0的整数，A脉搏为脉搏传感器测到的脉搏振幅，A谐振为体感音乐低频振动器信号的输出振幅，A健身为使用者通过掌上仪选择的健身振幅；
体感音乐低频振动器信号的输出频率满足以下条件：
f谐振=N*f健身，其中，N为偶数，f谐振为体感音乐低频振动器信号的输出频率，f健身为使用者通过掌上仪选择的健身频率。
低频振动保健机，采用体感音乐低频振动器作为振动源，实现机电能量转换。采用体感音乐低频振动器作为振动源，与传统的电机、电磁铁振动相比，不仅简化了机械机构，提升了机电转化效率，并且，振动失真小、谐波小，频率和振幅独立调整简单。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是掌上仪的结构示意图；
图3是控制信号电路图；
图4是单片机电路的电路结构图；
图5是脉搏放大电路的电路结构图；
图6是液晶驱动电路的电路结构图；
图7是主控制器的电路结构图；
图8是电源电路U10的电路结构图；
图9是功率放大电路U11的电路结构图；
图10是单片机电路U12的电路结构图；
图11是体感音乐低频振动器信号的合成图；
图中：1-脉搏传感器、2-掌上仪、3-振动机、4-弹簧、5-主控制器、6-体感音乐低频振动器、7-底板、8-顶板、9-开关电源。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
低频振动保健机，包括脉搏传感器1、掌上仪2和振动机3；
所述脉搏传感器1和振动机3均与掌上仪2信号连接。
所述脉搏传感器1，内置光电式传感器，采用指甲式或者腕带式结构，将指尖或手腕的脉搏跳动，转换成线性的毫伏级电压的脉搏信号，并将脉搏信号传送给掌上仪2；
所述掌上仪2，接受脉搏传感器1的脉搏信号，并向振动机3传送运行信息；
所述振动机3包括弹簧4、主控制器5、体感音乐低频振动器6、底板7和顶板8；所述弹簧4顶端连接顶板8，底端连接底板7；所述体感音乐低频振动器6安装于顶板8且与主控制器5信号连接；所述主控制器5与掌上仪2信号连接；主控制器5根据掌上仪2发送的信号驱动体感音乐低频振动器6。
所述弹簧4、底板7和顶板8构成了振动机3的机械部分。
所述主控制器5、体感音乐低频振动器6构成了振动机3的电器部分。
所述弹簧4、体感音乐低频振动器6和顶板8构成了振动机3的振荡主体。
图3是控制信号电路图，图中，U1为脉搏传感器1、U2为掌上仪2、U3为主控制器5、U4为体感音乐低频振动器6、U5为开关电源9。
脉搏传感器1通过3芯电缆线与掌上仪2相连。3芯电缆线为VS+线、GND线、SEN线。VS+线是脉搏传感器的电源，GND线为电源地，SEN线为信号输出线。
掌上仪2与主控制器5通过4芯电缆线连接。4芯电缆线为+5V线、GND线、RSA线、RSB线；其中，+5V线、GND线为主控制器提供给掌上仪的电源线，RSA线、RSB线为RS485通讯电路的通讯信号线。
所述主控制器5连接开关电源9。所述开关电源9将市电L、N输入，转换成直流36V提供给主控制器5。开关电源9设置有接地端子PE。
下面具体介绍掌上仪2。
所述掌上仪2包括单片机电路、脉搏放大电路、RS485通讯电路和液晶驱动电路。掌上仪2，根据检测到的脉搏信号和客户面板设置要求，通过与主控制器5连接的RS485通讯电路，进行双向通讯，将掌上仪2的运行要求传送给主控制器5，将主控制器5的运行状况传送给掌上仪2显示。
图4单片机电路的电路结构图，图中，U6为单片机芯片、U7为SP481E芯片。
所述单片机电路内设单片机芯片、RS485串行通讯电路、脉搏放大信号线、液晶驱动电路、手持仪面板操作按钮。
单片机芯片为STM8S208S6单片机芯片；
RS485串行通讯电路由单片机芯片内部串行接口RXD1、TXD1和RTS1与SP481E芯片构成；
脉搏放大信号线为SHS线。脉搏放大电路输出到单片机的模数转换ADC口，由单片机对脉搏信号进行采样分析；
液晶驱动电路的控制信号线为SCK线、MOSI线、CS线、DR5线、DR6线、DR7线。单片机芯片通过这几根线实现液晶的液晶显示的片选、复位、背光等控制和串行数据传输；
手持仪面板操作按钮为SW1~SW12。操作按钮连接在单片机的I/O口上，通过单片机芯片内置上拉电阻和操作按钮的断开或闭合实现操作信号的1、0变化。
图5是脉搏放大电路的电路结构图，图中，U8为MCP6002双低功耗运放。
所述脉搏放大电路，包括交流放大器、电源线、输入信号线。
交流放大器由MCP6002双低功耗运放构成，因此，交流放大器为正向输入的2级交流放大器；
VS+线为脉搏传感器的电源线，+5V电源通过电阻R40与电容C22组成滤波电路，减小电源上的高频谐波；
脉搏传感器输入信号线为SEN线。通过电容C20将输入信号加在第一级交流放大器的正输入上。
电阻R28为脉搏传感器的输出偏置电阻，通过SEN线加在脉搏传感器的输出口上；
电阻R26、电阻R27和电容C21构成了交流放大器的正向输入偏置电压，这里使电阻R26=电阻R27，得到交流放大器的正向输入偏置电压为+5V/2。
第一放大器U8B、电阻R39、电阻R38、电阻R25、电容C19构成了交流放大器的第一级。电阻R39为第一级的正输入偏置电阻，电阻R38为第一级的负反馈电阻，电阻R25、电容C19构成了第一级交流放大器的带宽选择电路。带宽内的增益为(1+R38/R25)，这里设计为(1+470K/10K)=48。
第二放大器U8A、电阻R37、电容C18、电阻R24、电阻R36、电阻R23、电容C17、电阻R22、电容C10构成了交流放大器的第二级。电阻R37为第二级的正输入偏置电阻，电容C18和电阻R24组成第二级正输入滤波电路，电阻R36为第二级的负反馈电阻，电阻R23、电容C17构成了第二级交流放大器的带宽选择电路，电阻R22和电容C10构成了第二级的输出滤波电路。带宽内的增益为(1+R36/R23)，这里设计为(1+470K/10K)=48。
脉搏放大电路的总增益为第一级增益与第二级增益相乘，即48*48=2304。
液晶驱动电路包括液晶显示板U9，液晶片选CS，液晶复位驱动DR7，液晶背光驱动DR6，液晶通讯方式选择DR5，串行通信信号线SCK、MOSI。
液晶显示板U9为液晶显示板TG12864R-01，采用串行通讯结构。
下面具体介绍振动机3。
如图7所示，所述主控制器5包括电源电路U10、功率放大电路U11、单片机电路U12。
如图8所示，所述电源电路U10将开关电源U5输入的36V+、36V-，经过滤波后得到+36电源并通过+36电源线连接功率放大电路U11，给功率放大电路U11提供电源；同时，分出一路5V稳压电源线连接单片机电路U12，给单片机电路U12供电。
具体的，电源电路U10内置进线保险、共模滤波器、L型低频滤波器、单片式开关电源、5V电源、高频滤波电容组。
进线保险为FU1，当电路故障出现过流时，断开输入电源；
共模滤波器，由电容C23、电容C24、电容C25和FLT1组成，对电源高频干扰滤波；
L型低频滤波器、由L1、E4、E5、E6、E7组成，对电源低频干扰滤波；
单片式开关电源U13为LM2575HVS-5.0，为降压式5V输出开关电源芯片；
5V电源，由单片式开关电源U13、与D1、L2、E8组成。单片式开关电源U13工作在开关模式，采用固定的150KHZ开关频率。当芯片工作在开通区间时，将L2接通到+36电源上，并在L2上产生电流储能；当工作在关断区间，断开L2与+36电源的连接，并由D1续流，E8为+5V输出的滤波电容。U13的4脚为电压反馈脚，当+5V电源电压高于5.0V时，U13内部将减小开通区时间，减小+36电源的输出能量；当+5V电源电压低于5.0V时，U13内部增加开通区时间，将增加+36电源的输出能量。U13单片式开关电源就是通过电压反馈来调整开通时间大小实现输出电压稳定。
高频滤波电容组，由电容C12、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29组成。
所述功率放大电路U11，通过VSIN线连接单片机电路U12，将单片机电路U12输出的脉宽调制PWM信号VSIN，滤波成交流信号，然后通过输出端的Out+线、Out-线连接体感音乐低频振动器6，将交流信号放大输出驱动体感音乐低频振动器6。
功率放大电路U11，内设滤波电路、VSIN线、正向放大器、电压跟随器、功率放大器。
滤波电路由电阻R13、电阻R14、电容C14、电容C15组成；
VSIN线为单片机U17输出的PWM信号，经滤波电路滤波后得到交流信号；
正向放大器由U14B与电阻R33、电阻R34构成，增益为（1+R34/R33）；
电压跟随器为U14A，增加输出适配能力。U14A和U14B为双低功耗运放MCP6002；
功率放大器为由U15、U16构成的音频40W功率放大器。U15设计为正向输入放大器，U16设计为反向输入放大器，因此，输出Out+与Out-形成了差动输出。这样结构的设计，不仅取消了输出耦合电容，同时增加了功率放大电路的输出功率，降低了放大电路的交流噪声。U15、U16为LM1875。
电阻R15、电阻R16和电容C32、电容C33组成功率放大器的正向输入偏置电压，这里R15=R16，因此正向输入偏置电压为+36/2。
电阻R31、电容C30、电容C31、电阻R44、电阻R32、电容C34、电容C35、R电阻45和电容U15组成了正向输入放大器。电阻R31、电容C30、电容C31为输入信号滤波电路；电阻R44为正向输入偏置电阻；电阻R45为反馈电阻，电阻R32、电容C34、电容C35组成了带宽选择电路。正向输入放大器的增益为(1+R45/R32),这里的增益为(1+200K/10K)=21。
电阻R46、电容C36、电容C37、电阻R35、电容C38、电容C39、电阻R47和U16组成了反向输入放大器。电阻R46、电容C36、电容C37为反向输入放大器的正向偏置输入；电阻R35、电容C38、电容C39为输入带宽选择电路；电阻R47为反馈电阻。反向输入放大器的增益为(1+R47/R35),这里的增益为(1+200K/10K)=21。
功率放大器的增益为正向输入放大器和反向输入放大器的增益和，即为21+21=42。
如图10所示，所述单片机电路U12，内置单片机U17、RS485通讯电路、过温检测电路等，其输入端接收掌上仪2传送过来的信号，其输出端输出相应的正弦PWM信号给功率放大电路U11。
单片机U17采用单片机STM8S208S6。
RS485通讯电路由单片机U17内部串行接口RXD、TXD和RTS与SP481E芯片U18构成。
过温检测电路采用温度开关TS1，对功率放大电路U11的温度进行检测，当功率放大电路U11的温度超过80°C时，关闭PWM输出VSIN。
单片机U17只使用了3个接口：
一个是串行接口，对应RXD、TXD、RTS信号线，与RS485的芯片U18相连，组成了RS485通信；
一个是输入信号TS1，用于功率放大电路的温度检测。在温度低于80°C时，温度开关TS1为开路状态，此时输入信号TS1=1；在温度等于和大于80°C时，温度开关TS1为短路状态，此时输入信号TS1=0；
一个信号为输出信号VSIN，为单片机的PWM输出口，与功率放大电路的输入相连。
体感音乐低频振动器信号，需要合成其振动频率和振动幅值。
振动控制基于脉搏信号、手持仪的健身频率选择和振动机自身的机械谐振频率三者的合成，确定了体感音乐低频振动器的驱动信号。
由于体感音乐低频振动器的工作频率在20~150HZ，而健身频率和脉搏频率的要求远远低于体感音乐低频振动器的工作频率，无法满足需要。为了解决这个问题，采用机械谐振频率与健身频率进行调制载波的方式工作，能有效的克服体感音乐低频振动器低频无法振动的问题。并且，采用脉搏信号对载波频率进行开关控制，实现脉搏信号联动。
特别强调的一点，如果健身频率设定为f健身，机械谐振频率为f谐振，f谐振=N*f健身，其中N为偶数。
当A脉搏≤0时，A谐振=0；
当A脉搏＞0时，A谐振=XA健身+YA机械，其中，X和Y均为大于0的整数。
本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.低频振动保健机，其特征在于，包括脉搏传感器（1）、掌上仪（2）和振动机（3）；所述脉搏传感器（1）和振动机（3）均与掌上仪（2）信号连接；
所述脉搏传感器（1），内置光电式传感器，将指尖或手腕的脉搏跳动，转换成线性的毫伏级电压的脉搏信号，并将脉搏信号传送给掌上仪（2）；
所述掌上仪（2），接受脉搏传感器（1）的脉搏信号，并向振动机（3）传送运行信息；
所述振动机（3）包括主控制器（5）和体感音乐低频振动器（6）；所述体感音乐低频振动器（6）与主控制器（5）信号连接；所述主控制器（5）与掌上仪（2）信号连接；主控制器（5）根据掌上仪（2）发送的信号驱动体感音乐低频振动器（6）；
体感音乐低频振动器（6）信号的输出振幅满足以下条件：
当A脉搏≤0时，A谐振=0；
当A脉搏＞0时，A谐振=XA健身+YA机械，其中，X和Y均为大于0的整数，A脉搏为脉搏传感器（1）测到的脉搏振幅，A谐振为体感音乐低频振动器信号的输出振幅，A健身为使用者通过掌上仪（2）选择的健身振幅；
体感音乐低频振动器（6）信号的输出频率满足以下条件：
f谐振=N*f健身，其中，N为偶数，f谐振为体感音乐低频振动器信号的输出频率，f健身为使用者通过掌上仪（2）选择的健身频率。
2.如权利要求1所述的低频振动保健机，其特征在于，所述振动机（3）还包括弹簧（4）、底板（7）和顶板（8）；所述弹簧（4）顶端连接顶板（8），底端连接底板（7）；所述体感音乐低频振动器（6）安装于顶板（8）。
3.如权利要求1所述的低频振动保健机，其特征在于，所述脉搏传感器（1）通过3芯电缆线与掌上仪（2）相连，3芯电缆线为VS+线、GND线、SEN线，其中，VS+线是脉搏传感器的电源，GND线为电源地，SEN线为信号输出线；
所述掌上仪（2）通过4芯电缆线与主控制器（5）连接，4芯电缆线为+5V线、GND线、RSA线、RSB线；其中，+5V线、GND线为主控制器（5）提供给掌上仪的电源线，RSA线、RSB线为RS485通讯电路的通讯信号线；
所述主控制器（5）连接开关电源（9）；所述开关电源（9）将市电L、N输入，转换成直流36V提供给主控制器（5）；开关电源（9）设置有接地端子PE。
4.如权利要求1所述的低频振动保健机，其特征在于，所述掌上仪（2）包括单片机电路、脉搏放大电路、RS485通讯电路和液晶驱动电路；
所述单片机电路内设单片机芯片U6、RS485串行通讯电路、脉搏放大电路、液晶驱动电路、手持仪面板操作按钮；单片机芯片U6为STM8S208S6；RS485串行通讯电路由单片机芯片U6内部串行接口RXD1、TXD1和RTS1与SP481E芯片U7构成；脉搏放大信号线为SHS线；液晶驱动的控制信号线为SCK线、MOSI线、CS线、DR5线、DR6线、DR7线；手持仪面板操作按钮为SW1~SW12；
所述脉搏放大电路，包括交流放大器、电源线、输入信号线；交流放大器为由MCP6002双低功耗运放U8构成的2级正向输入的交流放大器；VS+线为脉搏传感器（1）的电源线；输入信号线为SEN线；
所述液晶驱动电路包括液晶显示板U9，液晶片选CS，液晶复位驱动DR7，液晶背光驱动DR6，液晶通讯方式选择DR5，串行通信信号线SCK、MOSI；液晶显示板U9为液晶显示板TG12864R-01，采用串行通讯结构。
5.如权利要求3所述的低频振动保健机，其特征在于，所述主控制器（5）包括电源电路U10、功率放大电路U11、单片机电路U12；
所述电源电路U10将开关电源U5输入的36V+、36V-，经过滤波后得到+36电源并通过+36电源线连接功率放大电路U11，给功率放大电路U11提供电源；同时，分出一路5V稳压电源线连接单片机电路U12，给单片机电路U12供电；
所述功率放大电路U11，通过VSIN线连接单片机电路U12，将单片机电路U12输出的脉宽调制PWM信号VSIN，滤波成交流信号，然后通过输出端的Out+线、Out-线连接体感音乐低频振动器（6），将交流信号放大输出驱动体感音乐低频振动器（6）；
所述单片机电路U12，其输入端接收掌上仪（2）传送过来的信号，其输出端输出相应的正弦PWM信号给功率放大电路U11。
6.如权利要求5所述的低频振动保健机，其特征在于，电源电路U10内置进线保险、共模滤波器、L型低频滤波器、单片式开关电源、5V电源、高频滤波电容组。
7.如权利要求5所述的低频振动保健机，其特征在于，所述功率放大电路U11，内设滤波电路、VSIN线、正向放大器、电压跟随器、功率放大器。
8.如权利要求5所述的低频振动保健机，其特征在于，所述单片机电路U12，内置单片机U17、RS485通讯电路、过温检测电路；
单片机U17采用单片机STM8S208S6；
RS485通讯电路由单片机U17内部串行接口RXD、TXD和RTS与SP481E芯片U18构成；
过温检测电路采用温度开关TS1，对功率放大电路U11的温度进行检测，当功率放大电路U11的温度超过80°C时，关闭PWM输出VSIN。
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